（农业生物环境与能源工程专业论文）自动灌溉与数据采集系统研究.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展和科学技术的不断进步，农田灌溉正以“自动、精准” 为目标，向着精确农业的方向发展，自动灌溉控制及灌水精度控制、数据采集 系统的研究为开发适应现代精准自动灌溉及农田信息采集需求的自动化控制系 统提供了一条可行的路线。 结合河海大学节水园区节水与生态试验场自动灌溉工程，在综合考虑农学、 土壤学、节水灌溉理论的基础上，引用传感器技术、现场总线技术以及自动化 技术等领域的最新成果，将农田水利、土壤环境监测与自动控制联系在一起， 对自动灌溉控制、数据采集，尤其对自动灌溉的微量控制以及分布于多层土壤 中的多点数据采集、向上位机的信号传输进行了深入研究。构建了由中央监控 计算机、网络交换机、p l c 、水量测量仪表、传感器、电磁阀等组成的系统硬 件网络；利用西门子配套的编程软件s t e p 7m i c r o w i nv 4 0 、工控软件组态王 6 5 3 分别对p l c 控制程序和上位机监控应用程序进行了设计。 系统设计的思想是：优选相应的传感器采集所需信息，再传送到功能强大 的p l c ，经p l c 程序对信息进行分析、处理后，最后通作网络交换机传送给上 位机，运行在上位机中的监控程序根据用户要求远程控制操作电磁阀来实现按 时按量的自动灌溉，进行土壤环境信息采集，并建立了历史查询数据库和故障 报警功能等功能，系统以土壤多点温度采集为实例进行了数据采集实现的软硬 件设计。 关键词：自动灌溉数据采集监控系统组态王 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fs o c i a l e c o n o m ya n d s c i e n t i f i c t e c h n o l o g y c o n t i n u o u s l y , i r r i g a t i o ni s a l s od e v e l o p i n gt o w a r d st h ed i r e c t i o no fp r e c i s i o n a g r i c u l t u r e ，t a k i n g a u t o m a t i c ，a c c u r a t e ”a s t h e g o a l t h es t u d y o i l p r e c i s i o n a u t o - i r r i g a t i o nc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp r o v i d eav i a b l er o u t ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h ea u t o n m t i cc o n t r o ls y s t e m st ob ej u s tr i g h tf o rt h ed e m a n do f m o d e mp r e c i s i o na u t o - i r r i g a t i o na n df a r m l a n di n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no na g r o n o m y ，s o i ls c i e n c ea n dw a t e r - s a v i n g i r r i g a t i o nt h e o r y , m a k i n gn s eo f t h el a t e s tr e s e a r c hi nt h ef i e l d so f s e n s o rt e c h n o l o g y ， f i e l d b u st e c h n o l o g y ，a sw e l la sa u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n ，c o m b i n i n gf a r m l a n d w a t e rc o n s e r v a n c y ，s o i le n v k o m e n t a lm o n i t o r i n ga n da u t o m a t i cc o n t r o l ，ad e s i g n p r o g r a mo nt h ea u t o m a t i ci r r i g a t i o nc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，i np a r t i c u l a r ，o n a u t o m a t i ci r r i g a t i o nt r a c ec o n t r o l ，a c q u i s i t i o no fm u l t i m u l t i - p o i n td a t ad i s t r i b u t e di n m u l t i l a y e rs o i li sc a r r i e do u t t h es y s t e mh a r d w a r en e t w o r ki sc o m p o s e do fc e n t r a l m o n i t o r i n gc o m p u t e r , n e t w o r ks 丽t c b e s ，p l c ，w a t e rg a u g e s ，s c i l s o i s ，e l e c t r o m a g n e t i c v a l v e s ，a n ds oo n ；p l cc o n t r o lp r o c e d u r e sa r ep r o g r a m m e du s i n gt h es i e m e n s p r o g r a m m i n gs o f t w a r es t e p 一7m i c r o w i nv 4 0 ，p cm o n i t o r i n gp r o c e d u r e sa r e m a d et h ed e s i g nb yi n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r ek i n g v i e w6 5 3 d e s i g ni d e ai st h a t i n f o r m a t i o nr e q u i r e di sc o l l e c t e db ys e l e c t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o r sf l r s t l y ， t r a s s m i t t e dt h ep ct h r o u g ht h en e t w o r ks w i t c h e sa f t e ra n a l y z e da n dp r o c e s s e db y p o w e r f u lp l cp r o c e d u r e sl a s t l y , t h e na c c o r d i n g t ou s e rr e q u i r e m e n t s ，t h o s ec o n t r o l p r o c e d u r e sr u n n i n gi np cr e m o t l yc o n t r o ls o l e n o i dv a l v et oa c h i e v ef u n c t i o n so f r e a l - t i m em o n i t o r i n g , s o i le n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , p a s td a t aq u e r y ，f a l l u e r a l a r ma n ds oo n a tt h es a l n et i m e ，s y s t e mm a k em u l t i m u l t i p o i mt e m p e r a t u r e a c q u i s i t i o n ni ns o i la se x a m p l et od e s i g nt h ed a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d s ：a u t o m a t i ci r r i g a t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ；m o n i t o r i n g s y s t e m ； k n g v i e w 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：壶盎当 z 即d 年弓月) 日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 襁埴 叩d 年 j 月) 日 ( 注：手写亲笔签名) 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 我国是一个水资源相对严重贫乏的国家。虽然水资源的总量居世界第6 位， 但是按人均水资源量计算，人均占有量只有2 5 0 0 立方米左右，约为世界人均水 量的1 4 ，在世界上排1 1 0 位，已被联合国列为1 3 个贫水国家之一。 水资源短缺，供需矛盾日益加剧，农业是用水大户，首先是农业缺水，干 旱缺水已成为我国农业稳定发展和粮食安全供给的主要制约因素。我国的农业 用水量约占总用水量的7 5 ，主要消耗于灌溉。然而，农业灌溉用水的利用率 普遍低下，很多地区仍采用大田漫灌的粗放型灌溉模式，就全国范围而言，水 的利用率仅为4 5 ( 水资源利用率高的国家己达7 0 8 0 ) 1 1 2 1 。因此，改变 农业灌溉模式，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要 的。 节水灌溉技术对农业生产的发展也起着至关重要的作用。随着我国农村经 济的发展和国家对农业投入的增加，节水灌溉技术日益受到人们的重视。把自 动控制技术和节水灌溉技术结合起来，加快节水灌溉的自动化进程，对提高水 资源利用率，更快、更准确地掌握作物的生长情况、生长环境及生长规律，更 精确、更及时地控制灌溉与施肥，节约劳动力，提高对农业投入的经济效益具 有重要的意义【3 】。 随着社会经济的发展和科学技术的不断进步，农田灌溉正提出“自动、精 准”的目标，向着精确农业的方向发展【4 】。精确农业是一个完整的系统，需要 从供水、化肥、耕作、病害控制等多个方面来开发节水灌溉系统，这就需要对 土壤水分、土壤环境进行实旌监控，依据采集到的信息实施相应的调控和管理 s l 。在农业灌溉中积极采用各种节水灌溉技术，遵循农作物的生长规律，制定 先进的节水灌溉制度，考虑降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，由传统 的充分灌溉向非充分灌溉发展，并结合自动化控制，对灌区用水、土壤环境状 况进行监测预报，实行动态管理。系统的构建主要是通过设计功能完备的控制 器，灌溉控制器分析由不同传感器采集到的数据，对土壤墒情实施监测，分析 河海大学硕士学位论文 作物需水要求，通过电子水表与电磁阀精确控制灌溉水量，实现按期、按需、 按量自动供水，实现灌溉管理的自动化。由此，不仅可以加强灌溉的及时操作 性，增强土壤利用的可持续时间，提高灌水利用率，缓解水资源日趋紧张的矛 盾，还可以改善农业生态环境，增加农作物的产量，降低农产品的成本。 实现自动、精准灌溉，需要获得及时、准确的作物水分状况信息作为基本 依据，而先进、可靠的控制、采集技术与设备则是快速、准确实现精量灌溉的 重要保障，国外的灌溉控制器虽已逐步趋于成熟化，系列化，但国外生产的灌 溉控制系统性由于末考虑到我国特殊的自然气候、土壤条件、农民经济状况等 因素，在硬件连接和软件编程控制方面不具有开放性，不适合我国国情，不能 充分发挥它的优势；同时价格也较昂贵。近年来，虽然国内的节水灌溉自动控 制系统研发迅速，但总体上我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家差距 较大，系统的成套性差，自动化程度低，依然处于研制、试用阶段，因此急需 进行节水灌溉控制系统的国产化研发嘲。本文在此方向上依托具体的试验项目 设计研究了自动灌溉及数据采集系统，对促进灌溉管理自动化，提高农业用水 管理水平，节约人力、物力、提高农业的生产效率有一定的实际应用意义。 3 6 】 1 2 国内外研究现状 自动化灌溉系统分为全自动化灌溉系统和半自动化灌溉系统 7 1 。全自动化 灌溉系统不需要人直接参与，通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水 的某些参量可以长时间地自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉，人 的作用只是调整控制程序和检修控制设备；半自动化灌溉系统中在田间没有安 装传感器，灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制的程序而不是根 据作物的土壤水分及气象状况的反馈信息来控制的。 1 2 1 国外节水自动灌溉研究现状陋1 2 l 国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套 的自动控制系统也较完善和先进。节水灌溉发达国家已普遍采用计算机控制灌 溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能 通过检测植物茎、果的直径变化，来决定对作物的灌溉计划和灌溉量；在温室 2 第一章绪论 等设施内较多使用的小型灌溉控制器，通常能控制几路或十几路电磁阀，内有 若干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开始、结束时间和灌水间隔时间，操作 方便，自动化、智能化控制运行精密、可靠，节省人力，对灌溉过程的控制可 达到相当精度。 节水自动灌溉技术在发达国家，特别是有大面积种植或缺水地区，已有广 泛使用。发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重 视空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术的应用，国外一些先进国 家，如美国、以色列和加拿大等国，运用先进的电子技术、计算机和控制技术， 在自动化控制技术方面日趋成熟。这些国家从最早的水利控制、机械控制，到 后来的机械电子混合协调式控制，到当前应用广泛的计算机控制、神经网络控 制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。 【3 l 真正的计算机控制灌溉起源于以色列，最初的灌溉控制器是一个简单的定 时器，这可以看作是灌溉自动化控制的第一阶段。随着电子技术和计算机技术 的发展，出现了简单的灌溉控制器，它既能监测土壤水分信息和养分信息，同 时当某些参数越限或出现机械故障时，系统还能进行自动报警。随着控制技术、 传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器可以把以 前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，通过i n t e m e t 网、远程控制、 g s m 等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉 计划。 以色列拥有世界上生产农业计算机控制系统的主导企业爱尔达祥利 ( e l d a r - s h a n y ) 自控技术公司，他们开发了一系列可编程控制器。e l g a l a g r c ，大 型农田灌溉计算机控制系统，能够通过不同的通讯方式从任何距离自动和精确 的实旌灌溉过程、以及过滤器反冲洗等工作，通讯方式使用直接电缆连接通讯、 电话通讯、蜂窝电话通讯或无线电传输等。g a l c o m p a c t 型控制器为中规模 的农田、果园和温室等灌溉系统而设计的紧密、经济的灌溉控制系统，有8 个 3 2 个控制输出信号，交直流两用。线形远程控制单元用于远离控制器的阀门或 水泵的控制，可以同时连接6 4 个类似的远程控制单元，一个远程控制单元可以 控制2 8 个灌溉阀门或水泵。无线远程控制单元拥有一个无线电接收器，由 河海大学硕士学位论文 e l g a l 控制器通过标准的无线电发射器控制，用于大型或距离遥远的农田灌溉控 制系统。 美国早在1 9 8 4 年就开发出节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否 打开灌水阀门，既而在灌溉系统的控制中使用土壤湿度传感器，通过土壤水分 传感器把土壤湿度反馈给控制系统，根据传感器获得的数据决定是否灌溉。近 年来，美国的瓦尔蒙物公司和a r s 公司共同开发出一种可实现农田自动灌溉的 红外湿度计，只要把这种湿度计安装在灌溉系统上，每6 秒钟就可读取一次植 物叶面湿度数据，当植物需要水时，湿度计就会通过计算机发出灌溉指令及时 启动灌溉系统，实施自动灌溉。 加拿大、澳大利亚、韩国等国家和地区也都成功地开发了灌溉自动化控制 系统。比较有代表性的是澳大利亚研制成功的m i c r o w a s t e r 系列产品， 该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对 其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。 意大利研制的h y d r a 灌溉管理专家系统，是一套集灌溉、施肥于一体的 自动化控制系统，系统可以根据实时监测到的大田作物需水量的情况，自动进 行灌溉，及时提供作物需水量，以满足作物的生长需要。 1 2 2 国内节水自动控制研究现状 我国的节水灌溉技术和设备自2 0 世纪5 0 年代从国外引进后，在很长段时 间内，主要是示范应用，再加上设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大 面积的应用，相配套的自动控制系统就更少了。到2 0 世纪9 0 年代后，计算机 控制技术近几年在我国众多领域得到了前所未有的广泛应用，电子技术也日新 月异，许多部门从传统的以人为本的管理方式进入了以计算机控制技术为手段 的自动化监控与调度的先进管理模式。特别随着经济的发展、水资源的紧张及 国家的重视，其它行业中的自动控制技术也逐步地在节水灌溉中得到应用。 但我国目前在灌溉领域内，自动控制系统从国外进口的居多，国内自行研 制的还很少，即使有些地方搞了一些灌溉工程自动控制系统，也只是小面积的 局部控制，真正具有扩展功能的灌溉工程的计算机监控系统应用还不多见 1 3 1 3 1 4 1 。与国外同类产品相比，在技术上还比较落后，有些方面设计还不太合理， 4 第一章绪论 制造也比较粗糙，使用不太方便，仍需进一步完善。 我国在自动化灌溉系统的研制开发中，以中国农业机械化研究院联合多家 单位研制的2 0 0 0 型温室自动灌溉施肥系统最为突出。该系统结合我国温室的环 境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、 动态监测、控制显示中文、施肥泵混合可调等关键技术问题。该系统有手动控 制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用。在大连、 北京等地己经投入使用，从系统运行情况来看，该系统有很好的控制效果，取 得了一定的经济效益和社会效益。天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥 智能化控制系统主要用于现代温室、日光温室作物的滴灌营养液施肥，环境监 测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术、性能可靠、 功能齐全、操作简单，控制系统的控制流量为1 5 m 3 h ，控制规模为1 - 2 h m 2 ，能 控制2 4 路阀门，系统有人工干预灌溉、施肥功能，定时、定量灌溉。 1 5 , 1 6 1 7 综合分析：节水灌溉的发展还将沿着两大目标继续进行：一是利用多学科 综合技术，例如遥感技术、土壤测量技术，与工业领域合作开发新的方法，来 评估土壤、作物和灌水取样方法、数据分析过程，以提高灌溉土地的管理技术； 二是与工业领域合作，创造和生产新的技术和设备，并将这些技术和设备投入 节水灌溉中，改善灌溉作物产品并提高环境质量。 1 3 研究方法、内容及技术路线 1 3 1 研究方法及内容 论文结合河海大学节水园区节水与生态试验场自动灌溉工程，在综合考虑 农学、土壤学、节水灌溉理论的基础上，将农田水利、土壤环境监测与自动控 制联系在一起，引入当前先进的计算机、电子设备、网络通信等相关领域的最 新成果，构建系统控制网络，通过优选相应的传感器采集所需信息，进而传送 到功能强大的p l c 可编程控制器，经p l c 程序对信息进行分析、处理后，再 传送给上位机，运行在上位机中的监控程序根据用户要求控制操作电磁阀来实 现按时按量的自动灌溉，进行土壤环境信息采集，从而监控、管理试验场灌溉 系统的工作状况，达到帮助研究节水灌溉及作物培育技术的目的。 河海大学硕士学位论文 论文的软件设计由两大部分组成。p l c 控制程序利用西门子配套的编程软 件s t e p 7m i c r o w i nv 4 0 编制，上位机监控软件采用工控软件组态王6 5 3 进 编写设计。论文的研究旨在解决两大问题：l 、自动灌溉的微量控制；2 、分布 于多层土壤中的多点数据采集即其向上位机的信号传输( 本文以温度采集为代 表作了详细的技术说明) 。 1 3 2 研究的技术路线 在确定研究内容和目标之后，结合河海大学节水园区工程安排，研究工作 开展的技术路线如图1 1 所示： 6 第一章绪论 图1 1 研究的技术路线图 河海大学硕士论文 第二章控制系统总体设计 在系统总体设计中，要综合考虑硬件和软件两方面的因素，并对这两方面 做合理的分工。硬件方面，在保证系统具有功耗小、抗干扰能力强和故障率低 等特点的同时，使其具有足够的硬件扩展能力；软件方面，应尽量做到使该系 统程序通用性强、操作界面友好。此外，还应增加系统的远程通讯功能，以实 现本系统的远程操作功斛1 8 1 。 2 1 工程概况 河海大学节水园区节水与生态试验场( 简称试验场) 位于河海大学江宁校 区( 南京江宁经济技术开发区佛城西路8 号) 节水园区内。试验场共有3 2 个固 定式蒸渗测坑( 有底2 8 个，无底4 个) 分两组布置，每组1 6 个，中间设地下 廊道及地下设备间，地面有移动式雨棚。蒸渗测坑尺寸为：长宽高= 2 5 m 2 o r e 2 o m ，地下廊道深3 o m ，宽2 o m 。 试验场自动灌溉及数据采集系统要求设计、安装并调试各个蒸渗测坑的自 动灌溉系统的硬件和软件，以及廊道内土壤水、地下水观测及土壤含水量、盐 分、根系、温度等数据的自动采集系统的硬件和软件。在现场实验中土壤含水 量、根系、盐分由专门仪器采集后，导入计算机融入采集系统。 试验场自动灌溉及数据采集系统包括六大部分 l 、蒸渗测坑自动灌溉； 2 、地下水自动供排系统及地下水消耗、补给量自动采集； 3 、土壤温度的自动采集； 4 、通过专门仪器采集数据的导入； 5 、数据记录及自动分析； 6 、数据查询。 2 2 灌溉控制系统的结构与功能要求 2 2 1 节水灌溉控制系统的网络结构 在借鉴国外灌区远程控制方面经验基础上，本灌溉控制系统按控制级别分 8 筮三童撞劐丕蕴篮佳遘让 为监控中心层、现场控制层和手动控制层，本工程试验场建有控制室作为监控 中心，装备有现场计算机通过通讯设备( 以太网交换机) 与主控制柜相连，监 控中心由无线路由器与各主控制器通讯，对本站设备进行远程控制和信息、数 据管理；另外，现场均设有手动控制装置，也可以由现场接收用户控制指令手 动灌溉【1 9 2 0 5 1 一。系统的网络结构如图2 1 ，系统的控制运行流程图如图2 2 。 9 河海大学碗士论文 图2 2 系统的控制运行流程图 2 2 2 系统设计的各项功能及要求 本控制系统主要实现自动灌溉、温度采集、水泵启闭、数据处理、自动报警 和远程通信等功能。 2 2 2 1 蒸渗测坑自动灌溉的功能及要求 试验场有3 2 个测坑，每个测坑均需独立地定时、定量灌溉( 灌溉开始时刻 和灌溉的水量可预先设定) ，如若考虑系统的完备性，增强系统的自动化程度， 可将农田水利中研究的相关内容结合起来，通过实验，针对于某一作物制定各 生育期的最佳需水要求并设定灌溉下限，制定合理的灌溉制度；由系统时间来 判定作物处于某一生育期，分析并由系统计算出预定灌溉水量，既而根据设定 的目标灌水量，精确控制灌水( 到升) 。若在开阀过程中，因故障导致电磁阀无 i o 筵三童控制丕蕴盛佳遘盐 法关闭，即停止灌溉，待故障处理完毕后才允许自动灌溉，在故障期间手动灌 溉水量也要计入灌溉水量数据库，即能对灌溉操作数据库手动输入灌溉开始时 刻和灌水量，确保历史数据库的完备。 2 2 2 2 土壤温度自动采集的功能要求 系统需以土壤多点温度的采集为代表建立数据采集模式，确立大量不同信 号的采集、传输通用通道。 对于土壤温度的采集依赖于分布在3 2 个测坑的温度传感器，采集并记录每 个温度点的温度数据，并将温度数值显示到界面。要求可定时记录温度( 定时 间隔可在系统中设定，但此间隔不得小于5 分钟) ，可分页显示每个温度测点的 实时温度；可以查询某一时段指定测坑每一层的温度记录，并给出每一层的温 度随时间变化的曲线以及某个时刻后第一次记录下的测坑内温度随深度变化曲 线；每层的温度可编辑，支持按测坑号、层数、时段来查询温度记录；能够判 断温度传感器故障，系统对应产生报警，并采用醒目文字闪烁，并记录当前故 障发生时的相关信息( 如测坑号、传感器的编号、日期时间、值班人员、故障 现象) ，系统还可以查询某一时段内全部测坑内传感器的故障记录。 2 2 2 3 地下水自动供排系统及地下水消耗、补给量自动采集 的功能要求 能够记录水泵及供水阀、排水阀、自来水供水阀的动作时刻及操作状况； 记录补给电磁阀以及排放电磁阀的动作时刻，据此统计在一段时问内某个测坑 的地下水补给次数、排放次数。提供每个测坑的地下水补、排水量统计表( 内 容包括：查询时段、测坑号、补水量、排水量，查询条件：时段、测坑号等) 。 2 2 2 4 数据记录及自动分析系统的功能要求 系统的数据分类后以表单的形式存放，软件自动采集得到的各类数据通过 o d b c 接口存储到数据库相应的表单，对于手动采集的数据( 主要是土壤含水 量、士壤盐分) ，用户只需要将其输入到软件系统，然后由软件进行分类存储到 l i 河海大学硕士论文 数据库。 2 2 2 5 网络信息查询系统的要求 要实现远程访问，则必须有一个畅通的网络通道和一定的带宽，目前可采 用的方式是接入a d s l ，如果接入a d s l ，那么配合域名解析软件( 常用花生 壳) ，可以建立访问通道【2 1 。6 1 1 。对于查询客户端，可以采用比较常用的w i n d o w s 自带终端服务功能，终端服务功能的优点是对带宽要求低、对客户端硬件配置 要求低，兼容性能好，访问的效果也等同于本地计算机运行的效果。 2 3 小结 本章对项目的工程环境、试验概况作了介绍，构建了系统的全局网络，描 述了系统设计拟要实现各个功能，并分类作了说明。 筮三童蠹统酸鲤在递让 第三章系统的硬件设计 3 1 系统硬件组成概述 硬件设备是构成系统的基础，系统性能的稳定与优良与否，跟硬件设备的构 建、选择、链接非常重要。若想使一套开发出的系统富有“生命力”，硬件设备就 要充当好“结实的骨架”，而软件则成为“形成生命的血肉”。 该系统的硬件设备主要有：p l c 可编程控制器、电子远传水表、温度传感器、 地下水位传感器、以太网通讯模块、电磁阀等。 3 2 自动灌溉子系统硬件 3 2 1 水量测量及其仪表选型 3 2 1 1 水量测量仪表的功能与测量原理概述 水量测量仪表( 简称水表) 按其构造分机械水表和智能水表，科技的发展使 水表在其应用的各个方面正逐步由智能水表代替传统的机械水表。智能水表是利 用高科技的电子、信息传输技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交 易的一种新型水表。智能水表由4 个部分组成：基表+ 数据采集部分、数据计算 处理部分、数据显示部分、与上位机通讯部分。目前常用智能水表的数据采集装 置广泛采用的是霍尔传感器和干簧管传感器，两者都属于磁性传感器，其基木工 作原理都是将流量大小转换成与之成正比的电脉冲信号输出【2 2 】。最初的智能水 表是采用霍尔传感器采集信号的，但是由于其体积及功耗较大而被干簧管取代。 近年来，随着性能稳定的双干簧管加磁钢的发讯装置的出现，大多数智能水表厂 家就开始采用这种新型传感器了。 ( 1 ) 数据采集部分 在普通转盘计数的水表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附 近，永磁铁安装在计数盘上，转盘每转一圈，永磁铁经过干簧管附近一次，即产 生一个计量脉冲，如一个每转对应流量为o o l m 3 的水表，一个计量脉冲就对应 河海大学硕士论文 0 0 lm 3 的流量。根据这一原理，我们可确定流量的计算公式为： q = k x n ； 式中，q 为流量m 3 ；k 为基表系数，m 3 r ；n 为转数； 可以看出，这种传感器发出的脉冲数量的准确度将决定水表的计量精度。 ( 2 ) 数据处理部分 将采样得到的计数脉冲实时累加，将累加值乘以基表系数即得到累计流量值， 再将累计流量值从十六进制数转换成十进制数，然后从高到低的逐位拆分并转换 成a s c i i 码依次存放到数据缓冲区。 ( 3 ) 数据显示部分 将数据缓冲区的数据从高到低依次取出，转换成相应的显示码，将显示码以 并行( 或串行) 方式逐位送入显示接口电路，并且定时刷新，以动态方式实现数据 显示。 ( 4 ) 通讯部分 通过通讯接口电路启动通讯请求，经过预定的协议识别确认为有效请求信号 后，将数据缓冲区的数据从高到低依次串行送入通讯接口电路的相关单元，完成 数据的外传。 2 3 2 4 1 目前一般采用4 8 5 ，m o d b u s 或l o nw o r k s 技术来构建传输网 络平台，其技术本身是完全成熟的，开发者只要正确组网，并制定出完善的通讯 协议就能确保网络传输的稳定可靠。 3 2 1 2 水量测量仪表的选型及应用 宁波水表股份有限公司( 原宁波水表厂建于1 9 5 8 年) ，是我国水表行业规模 最大，技术力量最强，质量最佳的主导厂家，因此本系统选用由宁波水表总厂设 计的l x z 一1 5 2 5 直读式远传水表。该水表由计数较为成熟的计量机构和计数机 构相互独立的分体式磁传结构的基表和置于表内部的集传感和采集为一体的电子 模块组成，通过r s 4 8 5 总线向外传送数字。传感器采用非接触的光电器件，通 过采用新型可靠的编码识别方法，使电子读书与水表示数保持同步，同时克服了 不能识别字轮进位的问题，使工作可靠、数据抄送更为准确。 该水表工作电源为d c 4 5 v 5 5 v , r s 4 8 5 总线采用2 对五类双绞线连接，线 径为o 5 n u n 2 。 1 4 图3 1l x 7 _ 1 5 2 5 直读式远传水表4 8 5 总线接线图 3 2 2p l c 及其选型 3 2 2 1p l c 结构与功能概述 可编程控制器( p l c ) 是一种在继电器基础上发展起来的数字运算操作的电子 系统，专为在工业环境下应用而设计【2 6 2 9 】；它采用一类可编程的存储器，用于其 内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的 指令；并通过数字式或模拟式输k 输出控制各种类型的机械或生产过程瞄l 。可编 程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充 其功能的原则设计。 可编程控制器特点如下： 可靠性高； 编程方便，易于使用； 控制能力极强； 扩展及与外部联接极为方便。 一体化的可编程控制器在硬件结构上通常可分为三大部分：c p u 板、板 和电源，此外还有系统软件和外围接口。 ( 1 ) 硬件 河海大学硕士论文 c p u 板有一台基本计算机必需的部件：中央处理器c p u ，存储器r a m ， e p r o m 、并行接口p i o ，串行接口s i o ，时钟c t c 。其作用是对整个可编程控 制器的工业进行控制。它的工作可分为两部分：一部分是对系统进行管理，如自 诊断、查错、信息传送、时钟刷新等；另一部分是根据用户程序执行输入输出 操作、程序解释操作等。c p u 板中的存储器主要用于存储系统软件及用户环境。 其容量的大小，应与可编程控制器所控系统的规模相适应。有r a m 和e p r o m 两种，r a m 的耗电极微，在可编程控制器中通常用锂电池或超级电容作后备， 保证在失电时一保存程序和必要的参数。串行接口和并行接口是c p u 与外围设备 信息的通道，可为用户提供极大的方便。c p u 板上的定时器、计数器是用作产生 系统时钟及用户时的基信号的。 输入接口电路 输入，输出信号分为开关量、模拟量。可编程控制器的一个重要特点就是所有 输入输出信号与内部电路之间都隔离。输入输出方式会有变化，但必须经过光 电藕合或继电器将信号传入，传出。 输出接口电路 输出通常有三种形式：第一种是继电器输出型，c p u 驱动继电器线圈，令触点 闭合，而外部电源通过闭合的触点驱动外部负载；第二种是晶体管输出型，c p u 通 过光耦使晶体管通断，以控制外部直流负载；第三种是可控硅输出型，c p u 通过光 耦使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载。 电源 小型一体化可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。这电源一方面是为 c p u 板、i o 及扩展单元提供工作电源( s v d c ) ；另一方面也为外部输入元件提供 2 4 ) c 电源。电源容量取决于c p u 型号。 扩展接口 扩展接口用于连接扩展i o 单元，它使可编程控制器的点数规模配置更灵活。 s 7 - 2 0 0 p l c 的扩展接口是总线形式的，可以配接开关量i o 单元，也可配接模拟 量单元。 通信接口 用于连接编程器、人机接口设备或其它p l c 。通过通信方式，实现编程、监 控、联网等功能。 1 6 墓三垩丕蕴曲鲤住退让 存储器接口 为了程序及重要参数的安全性，一般小型可编程控制器设有外接e p r o m 卡 盒接口。通过该接口可以将卡盒的内容写入p l c 内，也可将p l c 内的程序及重 要参数传到外部e p r o m 卡盒作备份。 编程器 可编程控制器在正式运行时，不需要编程器。编程器用作用户程序编制、存 储、管理，并把用户程序送入可编程控制器中。在可编程控制器调试时，编程器 还可用作监控及故障检测。 ( 2 ) 软件部分 可编程控制器的软件分两大部分：系统软件与用户程序。系统软件由p l c 制 造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作。用户程序由可编程控制器 的使用者编制并输入，用于控制外部被控对象的运行。系统软件分为系统管理程 序、用户指令解释程序及标准程序模块和系统调用。 系统管理程序是系统软件中最重要的部分，主管控制可编程控制器的运作。 其作用包括三方面：一方面是运行管理，对控制可编程控制器何时输入、何时输出、 何时计算、何时自检、何时通信等作时间上的分配管理。另一方面是存储空间管 理。即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址。将用户使用的数据 参数、存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户 可很方便地直接使用的元件。再一方面是系统自检程序。它包括各种系统出错检 验，用户程序语法检验，句法检验，警戒时钟运行等。 用户指令程序是指可编程控制器一可用梯形图语言编程，把使用者直观易 懂的梯形图变成机器懂得的机器语言，由c p u 执行这些任务。用户程序是可编程 控制器的使用者编制的针对具体控制对象的程序。有三种形式一指令表( s t l ) 、梯 形图( l a d ) 和顺序图( s f c ) ，用户程序存放在系统管理程序指定的存储区内，其容量 的大小也为系统管理程序所限制。 标准程序模块和系统调用由许多独立的程序块组成，各程序块完成不同的 功能，可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。 ( 3 ) 用户环境 用户环境是由系统监控程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区分配、 用户程序存储区、用户系统参数等。 1 7 河海大学硕士论文 3 2 2 2p l c 的选型 p l c 是实施系统控制管理的核心部件，p l c 的正确选型直接关系系统功能能 否实现，以及系统是否具备开放性【3 们。本系统用于灌溉控制的p l c 选用了西门子 s 7 2 0 0 系列的c p u 2 2 6 可编程序控制器，具有2 4 点数字量输入，1 6 点数字量输 出，共有2 个通信端口；实现温度的采集并具备系统功能扩展的p l c 选用西门子 c p u 2 2 4 可编程序控制器，具有1 4 点数字量输入，l o 点数字量输出，1 个通信端 口；此外，地下水排放补给电磁阀控制、移动雨棚控制也选用c p u 2 2 4 。同时， 根据现场数字量i o 和模拟量i o 的使用情况加上1 0 1 5 的余量，选择模拟 量输入模块和数字量输入输出模块。图3 2 示出了自动灌溉p l c 控制柜的照片。 3 2 3 电磁阀 图3 2 自动灌溉p l c 控制柜照片 目前，电磁阀已经广泛地应用在生产的各个领域中，随着电磁阀技术与控制 技术、计算机技术、电子技术相结合，已经能够进行多种复杂的控制。比如可以 把电磁阀应用在智能控制领域，应用在无线控制技术等方面。 电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流 量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置 差三重丕统鲍鲤性退让 发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是 用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制3 2 1 。这样，电磁阀可以 配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。 电磁阀 图中杆状的物体就是通过电控制的阀杆，利用电磁力可以将阀杆打开或者 关闭。电磁阀正是因为能够用电磁进行控制，所以它能与现在的各种电子系统很 好地接口，这也是它得到广泛应用的一个主要原因。 3 2 4 自动灌溉的控制电路 3 2 4 1 自动灌溉控制电路图 自动灌溉的实现依赖于p l c 的继电器输出，c p u 驱动继电器线圈，令触点 闭合，而外部电源通过闭合的触点驱动外部负载【3 3 】。自动灌溉的控制电路如图3 3 所示： 1 9 河海大学硕士论文 图3 3 灌溉系统中数字量i o 与p l c 系统原理图( 电磁阀控制) 美三重丞统鳆鲤在递让 3 2 4 2 灌溉水源控制中水位传感器与p l c 有效连接 本系统灌溉水源有两个部分：集水井以及自来水。集水井除了供水灌溉外还 起到调控试验场及附近土壤地下水的作用，集水井内需安置水位传感器( 以下简 称水位计) ，实时向上位机传输当前水位，当水位低于某值时，停止集水井抽水水 泵，改由自来水灌溉。因此，水位的采集也是灌溉系统的一部分。 由于使用的水位计采用同步串行接口( s s i ) 输出，而p c 机、p l c 都是异步 串行通讯，尽管西门子s 7 3 0 0 系列以上p l c 可配置s s i 输入模块，可解决不同 标准串行接口器件( 或系统) 的数据通信问题，但在考虑能确保系统稳定性，同 时节约成本的前提下，本系统选用的是$ 7 - - 2 0 0 系列p l c ，这就需要采取一定的 信号转换措施，将水位传感器输出的s s i 转换成r s 4 8 5 工业标准串行信号【4 l 】。本 系统采用了由南京普控科技公司研发的p c v - 1 a 型s s i 转r s 4 8 5 信号转换器，将 输出为s s i 信号的2 5 位格雷( g r a y ) 码绝对编码器的码值转换为r s 4 8 5 标准的 二进制码值，借助于m o d b u s 通信协议，上位机可以通过转换器读取编码器的编 码数据，以实现集水井地下水位的采集传输。 本转换器的接线侧面板见图3 1 l 转换器示意图： 球。弋丽世 3 1 1 转换器线路示意图 图中的r j 4 5 插座用于与绝对编码器信号电缆线相连，r j 4 5 插座左侧的接线 端子用于与r s 4 8 5 信号线和工作电源相连。v + 接直流工作电源的正极，v - 接直流 工作电源的负极，a + 接r s 4 8 5 信号的正端，b 接r s 4 8 5 信号的负端。i l l 4 5 插座 中的v + 和v - 是提供给编码器作为电源使用的，c l 0 c k + 、c l o c k - 、d a t a + 、 2 l i旺j_旺口 十町卜旺口u口-u+1)|u口_u：；+ t 河海大学硕士论文 d a t a - 需要与编码器对应的信号端相连。建议使用5 类网线作为本转换器与编码 器之间的信号线，这样，在与r j 4 5 插座相连接时，可使用r j 4 5 插头。 r 1 4 5 插头定义( 与常用网线接法不同) ： 将r j 4 5 插头( 水晶头) 的镀金触针朝上，且镀金触针侧向外，则从左到右 网线的定义如下( 参照上述的转换器接线图) ： 表3 3 ：r j 4 5 插头定义表 水晶头触针编号触针信号定义建议的网线颜色 l v + 橙 2v + 橙自 3v -蓝 4v - 蓝白 5c l o c k | + 棕白 6c l o c l ( - 棕 7d a t a + 绿 8皿4 7 z 绿白 通信时间间隔： 上位机两次给转换器发读写指令之间的时间间隔不得小于1 0 0 m s ，否则容易 造成4 8 5 总线的数据竞争。 转换器工作参数： 工作电压：d c l 2 2 4 v ； 工作电流： l o m q ，必将产生一定的电压降，而使p l c 接受到的电压小于电阻两端的电压， 使反推得到的温度值偏小，在今后的研究中